Механизм консенсуса Proof of Work (PoW)

Proof of Work (PoW) — это механизм консенсуса, который помогает в проверке и подтверждении любой транзакции, которая происходит в блокчейне, а также защищает сеть от различного рода вредоносных действий. Proof-of-Work является важным аспектом всего, что связано с криптографией, поскольку это первый механизм, который был внедрен для того, чтобы любые транзакции, происходящие в децентрализованном пространстве, были безопасными и проверялись без ненужного участия каких-либо третьих сторон.

Механизм «Proof of Work» переводится как «Подтверждение работы» или «Доказательство работы». Под работой подразумевается решение сложных математических задач по нахождению Хэша — уникальной строки символов фиксированной длины, которую крипто-майнеры пытаются вычислить методом проб и ошибок. Для достижения этой цели майнеры используют высокопроизводительное оборудование для майнинга. Каждый раз, когда майнер находит новое выигрышное доказательство работы, что происходит примерно каждые 10 минут, сеть утверждает новый блок.

Благодаря Proof of Work анонимные объекты в распределенной сети доверяют друг другу. Это обеспечивает целостность новых данных в отсутствие центрального органа. Этот механизм отличается высокой степенью безопасности, обеспечивает децентрализованную проверку и позволяет крипто-майнерам конкурировать за вознаграждение за действительные блоки. С другой стороны, Proof of Work печально известен медленной обработкой, существенными сборами, массовым потреблением энергии и дорогостоящим оборудованием. Вот более пристальный взгляд на принципы, преимущества и недостатки этого механизма консенсуса криптовалют.

Что такое механизм консенсуса?

Блокчейны — это децентрализованные самоуправляемые цифровые реестры, в которые постоянно записываются данные транзакций в одноранговых компьютерных сетях. Большинство блокчейнов являются общедоступными, что означает, что любой желающий может принимать участие в ключевых функциях обслуживания сети, в первую очередь в проверке транзакций и соответствующем обновлении блокчейна. Эти участники сети называются майнерами или узлами в криптовалютах Proof of Work, таких как Bitcoin, и узлами-валидаторами в криптовалютах Proof of Stake, таких как Ethereum.

Как в механизмах Proof of Work, так и в механизмах консенсуса Proof of Stake участники сети должны согласиться с тем, что любые транзакции, происходящие в их соответствующем блокчейне, считаются действительными в соответствии с требованиями сети. Именно в этом соглашении вступает в силу “консенсус”. Консенсус должен быть достигнут перед записью транзакции в блокчейн, в том числе в любое время, когда тратится, передается или создается криптовалюта.

Крупнейшие сети могут насчитывать сотни тысяч участников, которые получают вознаграждение в криптовалюте за свои усилия по синхронизации данных реестра. Чем больше майнеров или узлов-валидаторов принимают участие в экосистеме, тем более безопасной становится сеть. Это означает, что по мере роста хакерам становится все труднее идти на компромисс. Вот почему у нас есть гигантские фермы для майнинга по всему миру, оснащенные тысячами видеокарт, вычислительная мощность которых используется для проверки транзакций и майнинга BTC.

Всякий раз, когда происходит биткойн-транзакция, она подвергается проверке безопасности, прежде чем быть собранной в блок, который необходимо добыть. Затем хэш блока создается с помощью процесса проверки работоспособности Биткойна. Алгоритм SHA-256, используемый Биткоином, всегда выдает хэши, содержащие 64 символа.

Майнеры соревнуются, чтобы сначала создать предустановленный хэш ниже хэша блока. Победитель добавит самый последний блок транзакций в блокчейн Биткоина. Кроме того, победитель получает компенсацию в виде комиссий за транзакции и свежесозданных монет. Общее количество монет в обращении для биткоина ограничено 21 миллионом, но майнеры по-прежнему получают компенсацию в виде комиссий за транзакции.

Что такое алгоритм Proof of Work?

Идея Proof of Work восходит к 1993 году и была разработана компьютерными учеными Мони Наор и Синтией Дворк как метод предотвращения атак типа «отказ в обслуживании» и сетевого спама. Концепция цифровых токенов была адаптирована Хэлом Финни в 2004 году благодаря идее «многократного подтверждения работы» с использованием 160-битного алгоритма безопасного хэширования 1 (SHA-1). Однако оно стало неразрывно связано с криптовалютой, как только доказательство работы было включено в знаменитый технический документ Сатоши Накамото 2008 года, излагающий его видение Биткоина.

В статье Накамото сказал, что доказательство работы предотвратит так называемые атаки с “двойным расходованием”, при которых недобросовестный участник сети обманным путем тратит одни и те же монеты более одного раза в разных местах. Идея заключалась в том, что двойные расходы можно было бы ограничить, если не исключить их полностью, требуя от участников решения этих криптографических головоломок для проверки каждой новой транзакции.

Биткойн — первое популярное применение этой идеи. 12 января 2009 года Хелл Финни получил первое вознаграждение за майнинг и транзакцию BTC — 10 BTC. Впоследствии доказательство работы было принято другими криптовалютами, такими как Dogecoin, Bitcoin Cash, Litecoin и Monero. Сейчас PoW — это основная система в сетях блокчейнов, которая обрабатывает транзакции, предоставляя им хэши и подтверждая их. Сама система поддерживается майнерами, которые участвуют в сети, проверяя новые транзакции за денежное вознаграждение — в данном случае биткойн.

Как объясняется в Белой книге Биткоина, сеть помечает транзакции временными метками, хэшируя их в непрерывную цепочку проверки работоспособности на основе хэша, формируя запись, которая не может быть изменена без повторного проверки работоспособности. Для запуска сети необходимо выполнить несколько шагов:

Новые транзакции транслируются на все узлы.
Каждый узел собирает новые транзакции в блок. Когда пользователи продают и покупают цифровую валюту, их данные о транзакциях объединяются в блоки.
Каждый узел работает над поиском сложного Proof-of-Work для своего блока. Майнеры тратят вычислительные мощности и энергию на решение трудоемких математических задач. Первый майнер, добившийся успеха с приемлемым доказательством вычислительных усилий (хэш), получает право на обработку нового блока транзакции.
Когда узел находит Proof-of-Work, он транслирует блок на все узлы. Каждый блок добавляется одним майнером. После завершения обработки они получают собственные монеты — вознаграждение за инвестиции в оборудование и энергию.
Узлы принимают блок, только если все транзакции в нем действительны и еще не израсходованы.
Узлы выражают свое согласие с блоком, работая над созданием следующего блока в цепочке, используя хэш принятого блока в качестве предыдущего хэша. Выигрывает самая длинная цепочка. Когда найдены новые Proof of Work и ветвь становится длиннее, все остальные узлы сходятся в самые низкие блоки.

Proof of Work также решает проблему определения представительства при принятии решений большинством. Если бы большинство основывалось на одном IP-адресе-один голос, это могло бы быть подорвано любым, кто способен выделить много IP-адресов. Proof of Work — это, по сути, один процессор-один голос. Решение большинства представлено самой длинной цепочкой, в которую вложено наибольшее количество усилий для проверки работоспособности. Если большая часть мощности процессора контролируется честными узлами, честная цепочка будет расти быстрее всех и обгонит любые конкурирующие цепочки.

Proof of Work также называют майнингом, имея в виду получение вознаграждения за проделанную работу. Данный алгоритм обеспечивает безопасную обработку одноранговых транзакций без привлечения доверенной третьей стороны. Механизм консенсуса PoW требует значительных затрат энергии и дорогостоящего оборудования. Больше всего работы приходится на самую длинную цепочку. Это означает, что в нее внесен наибольший вклад (т. е. хэши), что делает идентификацию тривиальной. В модели консенсуса PoW есть два основных участника: майнеры и операторы полных узлов.

Майнинг на алгоритме Proof of Work

Если углубиться, доказательство работы Proof of Work — это требование для определения дорогостоящего компьютерного вычисления, также называемого майнингом, которое необходимо выполнить, чтобы создать новую группу транзакций (так называемый блок) в распределенной книге, называемой блокчейн. Если бы компьютер просто генерировал и подтверждал хэши, мы бы в конечном итоге выполняли работу, которую можно выполнить за считанные секунды. Чтобы этого не произошло, нам нужно поместить работу в Proof of Work.

Все сети блокчейнов устанавливают определенный уровень сложности, который делает майнинг трудоемким. После майнинга каждого блока, примерно каждые 10 минут, сложность корректируется. Сложность определяется самой сетью, которая устанавливает своего рода цель для хэша. Чем выше цель, тем сложнее добыть весь блок. Майнеры обнаруживают действительный хэш, он передается всей сети, и блок транзакции добавляется в сеть блокчейна.

Майнинг служит двум целям:

Чтобы проверить законность транзакции или избежать так называемых двойных расходов.
Создавать новые цифровые валюты, вознаграждая майнеров за выполнение предыдущей задачи.

У этой “математической головоломки” есть ключевая особенность: асимметрия. На самом деле работа должна быть умеренно сложной для стороны, подающей запрос, но легко проверяемой для сети. Эта идея также известна как функция затрат на процессор, клиентская головоломка, вычислительная головоломка или функция ценообразования процессора.

Все сетевые майнеры соревнуются за то, чтобы первыми найти решение математической задачи, касающейся блока-кандидата, проблемы, которая не может быть решена другими способами, кроме как с помощью грубой силы, так что, по сути, требуется огромное количество попыток. Когда майнер, наконец, находит правильное решение, он/она объявляет об этом одновременно всей сети, получая приз в криптовалюте (вознаграждение), предусмотренный протоколом.

С технической точки зрения процесс майнинга представляет собой операцию обратного хеширования: он определяет число (одноразовый номер), поэтому результат криптографического алгоритма хеширования данных блока меньше заданного порога. Этот порог, называемый сложностью, определяет конкурентный характер майнинга: чем больше вычислительной мощности добавляется в сеть, тем выше увеличивается этот параметр, увеличивая также среднее количество вычислений, необходимых для создания нового блока.

Эта периодическая корректировка гарантирует, что новый блок добывается примерно каждые 10 минут, поэтому добыча стабильна. Система оценивает и изменяет уровень сложности каждые 2 016 блоков, или примерно каждые две недели. В противном случае, из-за огромного количества майнинговых установок, вычислительные головоломки решались бы намного быстрее. Сложность напрямую связана с общей предполагаемой мощностью майнинга, выраженной в общей скорости хэширования (TH/s).

Доказательство работы является гораздо более медленным методом проверки, чем другие механизмы. Например, происходит больше транзакций, чем может обработать сеть Биткойн. Транзакции хранятся в mempool, ожидающем подтверждения, при этом среднее время подтверждения составляет от 5 до 95 минут (подтверждение — это когда ваша транзакция подтверждена). Время блокировки Биткоина составляет в среднем 10 минут — сравните это со временем блокировки в PoS-сети Ethereum, которое составляет в среднем 12 секунд.

Вторая сущность в PoW — это операторы полных узлов или обычные пользователи, которые управляют полными узлами. Полные узлы — это программные клиенты, работающие с программным обеспечением Bitcoin, которое автоматически проверяет и распространяет транзакции и блоки в сети. Используя криптографические доказательства и консенсусные правила Биткойна, операторы полных узлов являются сердцебиением сети и конечными валидаторами состояния сети. Клиенты с полным узлом также могут быть клиентами интеллектуального анализа данных, и клиенты отклоняют недопустимые блоки и транзакции в сети.

Список монет на алгоритме Proof of Work

Доказательство работы Proof of Work составляет основу многих других криптовалют, обеспечивая безопасный консенсус. Рассмотрим наиболее популярные из них:

Список популярных монет алгоритма Proof-of-Work

Монета	Цена	Цена (BTC)	Изменение

Список монет Proof of Work

Монета	Цена

Топ-10 криптовалют на алгоритме Proof of Work, доступных для майнинга:

Bitcoin (BTC) — первая виртуальная валюта крипто-сообщества, которая была введена. Предполагалось, что BTC будет функционировать как деньги и платежное средство, независимое от какого-либо конкретного лица, группы или организации, устраняя требование об участии третьих сторон в финансовых транзакциях. Биткойн также ввел концепцию Proof of Work.
Litecoin (LTC) — это виртуальная валюта P2P (Peer-to-Peer), которую не контролирует ни одна организация. Сеть Litecoin обеспечивает быстрые, почти бесплатные транзакции между частными лицами или организациями в любой точке мира. Она была представлена в октябре 2011 года как “серебро к золоту Биткоина”.
Dogecoin (DOGE) — криптовалюта, основанная на меме Doge и представленная крипто-сообществу в 2013 году. Несмотря на свое беззаботное начало и всего лишь глупую шутку, в конечном итоге ему удалось подняться на вершину и обзавестись преданными фанатами.
Monero (XMR) — еще одна популярная криптовалюта. Что отличает ее от толпы, так это то, что она обеспечивает анонимность и взаимозаменяемость за счет использования децентрализованной общедоступной базы данных и технологий безопасности, которые маскируют транзакции. Наблюдатели не могут интерпретировать адреса, суммы платежей, остатки на счетах или истории транзакций.
Bitcoin Cash (BCH) — это форк, созданный на основе криптовалюты Bitcoin. Это вариант альткоина, разработанный и представленный крипто-сообществу в 2017 году. В ноябре 2018 года Bitcoin Cash был дополнительно разделен на две криптовалюты: Bitcoin SV и Bitcoin Cash.
Ethereum Classic (ETC) — это хардфорк Ethereum (ETH), который был запущен в июле 2016 года. Его основная функция — это сеть смарт-контрактов с возможностью размещения и поддержки децентрализованных приложений (dApps).
ZCash (ZEC) — это децентрализованная криптовалюта, ориентированная на конфиденциальность и анонимность. В нем используется технология zk-SNARK zero-knowledge proof, которая позволяет узлам сети проверять транзакции, не раскрывая никакой конфиденциальной информации об этих транзакциях.
Dash (DASH) — это криптовалюта, нацеленная на анонимность. Digital Cash защищает ваши личные данные, делая транзакции анонимными при помощи технологии DarkSend. Эта технология была создана под впечатлением от проекта CoinJoin, который должен был анонимизировать Bitcoin-транзакции.
Kaspa (KAS) — это децентрализованная криптовалюта уровня 1 с открытым исходным кодом, которая следует механизму консенсуса Proof-of-Work, основанному на протоколе GHOSTDAG. Данный протокол является более масштабируемым обобщением консенсуса, который заложил Сатоши Накамото, упорядочивая все блоки параллельно в отличие от устаревших линейных блокчейнов.
Nexa (NEXA) — это децентрализованная монета уровня 1, которая использует алгоритм Proof of Work для проверки транзакций и работоспособности сети. Используя аппаратное обеспечение для масштабирования, Nexa устраняет два наиболее важных узких места для масштабируемости: подписи и поиск UTXO. Монета обладает потенциалом для поддержки глобального однорангового использования благодаря своей способности к масштабированию.

Это далеко не полный список монет на алгоритме Proof of Work. В действительности их гораздо больше, однако не все из них выгодно добывать.

Помимо вышеперечисленных монет, необходимо указать такие популярные монеты как Ravencoin, Ergo, ETHW, Beam, Grin, Flux, Cortex, Nervos, Firo, Conflux, Horizen, Kadena, Alephium, Radiant, Dynex, Nexa, Zephyr, Clore.ai, Xelis и Iron Fish. Все эти монеты можно майнить на своем оборудовании и участвовать в механизме консенсуса Proof of Work, получая вознаграждение за свой вклад в защиту сети.

Proof of Work против Proof of Stake

Помимо Proof of Work (PoW), существует еще один популярный механизм консенсуса, называемый Proof of Stake (PoS). В настоящее время разработчики борются за то, какой механизм лучше для блокчейн сетей, поскольку каждая модель предлагает разные плюсы и минусы. По сути, разница заключается в том, кто поддерживает сеть. Вместо майнеров в PoS используются валидаторы. Новая сеть полностью отличается от PoW, поскольку она не требует майнинга и нет необходимости прогнозировать хэши.

В то время как Биткойн был пионером Proof of Work, Peercoin в 2012 году представил альтернативный протокол консенсуса под названием Proof of Stake (PoS). Как следует из названия, для этого требуется, чтобы валидаторы ставили или блокировали свои монеты в смарт-контракте в сети. Они подтверждают транзакции без сложной вычислительной работы.

Поскольку Proof of Stake требует меньше вычислительной мощности, он более устойчив и масштабируемый. Такие сети предлагают более быстрые транзакции, более низкие комиссии за транзакции и скромные потребности в энергии. Кроме того, размещение ставок более доступно для широкой публики, поскольку не требуется дорогостоящего оборудования. Единственным условием является доказательство ставки, то есть монеты.

При Proof of Stake сеть случайным образом выбирает пользователя, который должен предложить блокировку. Если блокировка действительна, он получает вознаграждение, состоящее из комиссии за транзакцию блока. Имея это в виду, мы можем сделать вывод, что валидатор зарабатывает больше по мере увеличения комиссии за транзакцию. PoS выбирает пользователя на основе множества факторов, которые решают, будет ли он тем, кто отправит блок. Во-первых, пользователь должен поставить токены, чтобы стать валидатором.

Что такое размещение ставок? Акт блокировки собственных токенов сети. По сути, размещение ставок — это процесс предоставления обеспечения для того, чтобы иметь право стать участником сети. В случае Ethereum пользователь должен внести 32 ETH. Данный метод используется для стимулирования честности и предотвращения мошенничества. Узлы, которые пропускают ошибочные или мошеннические данные, подвергаются наказанию — они теряют часть или все свои ставки. Тем не менее, безопасность вызывает беспокойство, поскольку участники с крупнейшими крипто-холдингами могут злоупотреблять своей властью.

Преимущества и недостатки алгоритма Proof of Work

Механизм консенсуса Proof of Work уже доказал свою надежность, однако помимо преимуществ, у него есть и свои недостатки. Рассмотрим основные из них.

Преимущества алгоритма Proof of Work:

Хорошо зарекомендовавший себя оригинальный метод консенсуса криптовалют, основанный в 1993 году и заметно включенный в технический документ Сатоши по биткойнам 2008 года. Этот механизм консенсуса позволяет майнерам участвовать в конкурсе, чтобы первыми добавить блок в цепочку и получить вознаграждение, и обеспечивает максимально возможную безопасность.
Контролируемый и организованный метод добавления и проверки транзакций. Метод проверки полностью основан на решении сложных математических задач для проверки транзакций и добавления блоков в цепочку.
Алгоритм позволяет крипто-майнерам получать вознаграждение за свои усилия. Майнеры получают вознаграждение в виде недавно выпущенной собственной криптовалюты, а иногда также часть комиссии за транзакции, которую собирает платформа.
Используется некоторыми из старейших и наиболее популярных криптовалют, включая Биткоин.
Сложность и дороговизна процесса майнинга отпугивает спамеров или злоумышленников, которым, скорее всего, не хватает ресурсов для нарушения работы сети.

Недостатки алгоритма Proof of Work:

Скорость транзакций в блокчейнах PoW медленнее по сравнению с более новыми механизмами консенсуса, в то время как плата за транзакции выше. Поскольку майнерам приходится конкурировать друг с другом, для завершения проверки транзакции требуется много времени. Кроме того, требуется огромная вычислительная мощность, что делает механизм энергоемким.
Монополия майнинга. Действительно, по мере роста протокола блокчейна, основанного на доказательстве работы, вычислительная мощность, необходимая для завершения новых блоков, может потребовать повышения эффективности. Поэтому майнеры стремятся объединяться, и те, кого становится больше, также смогут добывать больше блоков и, следовательно, получать больше вознаграждений. Эти вознаграждения при дальнейшем инвестировании в оборудование для майнинга позволяют им добывать все большие и большие участки сети, создавая тем самым своего рода монополию пула.
Снижение децентрализации. Децентрализация является основной причиной существования блокчейна. Однако по мере роста протокола блокчейна, основанного на доказательстве работы, он также становится более концентрированным и, следовательно, централизованным.
Безопасность. Крупные пулы майнинга могут, по крайней мере теоретически, запустить атаку с вероятностью 51%, чтобы захватить контроль или вызвать хаос в сети.
Ограничения масштабируемости. Масштабирование мощности майнинга означает покупку большего количества компьютеров с передовым программным обеспечением. Оборудование для майнинга не только дорогостоящее и энергоемкое, но и требует систем охлаждения. Накопление тепла может подорвать работу и повредить аппаратные компоненты.
Первоначальные инвестиции в майнинг очень высоки. Требуемое оборудование для майнинга, конечно, дорогое, его также необходимо часто обновлять, и энергия, необходимая для участия в блокчейне Proof of Work, также значительна.
Вред для экологии. Некоторые эксперты утверждают что, из-за высокой энергоэффективности Proof of Work наносит большой вред окружающей среде. Это конечно спорный вопрос, но оборудование для майнинга, используемое майнерами, должно постоянно работать.

Основной критикой в адрес PoW был его энергоемкий дизайн и низкая производительность для выполнения транзакций по цепочке, но с некоторыми оговорками. Например, подавляющее большинство майнинга биткойнов осуществляется с использованием возобновляемых источников энергии. Сбалансировать затраты на энергозатраты с общей стоимостью Биткойна и созданием богатства — сложная задача. Несмотря на это, PoW является значительным новшеством в разработке вычислительных систем и теории игр.

Модель PoW Биткойна — это мера безопасности, которая представляет собой сочетание стимулов теории игр, распределенных вычислений, социального консенсуса, рыночной экономики и криптографических доказательств. Это инновация, которая позволяет блокчейну функционировать с безопасным, устойчивым распределенным консенсусом, и история Биткойна, насчитывающая более десяти лет, является убедительным доказательством этого.

Заключение

Основная функция криптовалюты заключается в облегчении финансовых транзакций и безопасном перемещении средств за пределами традиционной банковской системы. Но в отсутствие центрального органа управления для защиты пользователей от мошеннической деятельности криптовалюты полагаются на так называемые консенсусные алгоритмы или механизмы консенсуса для обеспечения законности транзакций, проводимых в их сетях.

Доказательство работы — это механизм консенсуса, используемый многими криптовалютами для подтверждения транзакций в своих блокчейнах и присуждения токенов за участие в сети. Proof of Work — это конкурентный процесс, который использует общедоступную информацию о транзакциях для попытки сгенерировать шестнадцатеричное число, меньшее целевого значения сети на данный период майнинга. Согласно консенсусу PoW, тысячи программ майнинга работают над одним блоком, пока хэш не будет решен, а затем переходят к следующему блоку.

Очевидно, что, хотя у него есть свой набор серьезных недостатков, Proof of Work по-прежнему имеет много преимуществ и является одним из наиболее важных аспектов того, как криптовалюты работают на блокчейне. Однако с введением Proof of Stake в крипто-сообществе многие криптовалюты меняют свой механизм консенсуса, и самым ярким примером является Ethereum. Кроме того, некоторые криптовалюты внедряют гибридные протоколы использующие PoW и PoS одновременно.